Катадиоптрическая оптическая система — это система, в которой преломление и отражение объединены в оптической системе, обычно с помощью линз ( диоптрики ) и изогнутых зеркал ( катоптрик ). Катадиоптрические комбинации используются в фокусирующих системах, таких как прожекторы , фары , ранние фокусирующие системы маяков , оптические телескопы , микроскопы и телеобъективы . Другие оптические системы, которые используют линзы и зеркала, также называются «катадиоптрическими», например, катадиоптрические датчики наблюдения .
Катадиоптрические комбинации использовались для многих ранних оптических систем. В 1820-х годах Огюстен-Жан Френель разработал несколько версий катадиоптрического маячного рефлектора своей линзы Френеля . [1] Леон Фуко разработал катадиоптрический микроскоп в 1859 году для противодействия аберрациям, возникающим при использовании линзы для получения изображений объектов с высокой мощностью. [2] В 1876 году французский инженер А. Манжен изобрел то, что впоследствии стало называться зеркалом Манжена , вогнутым стеклянным отражателем с серебряной поверхностью на задней стороне стекла. Две поверхности отражателя имеют разные радиусы для исправления аберрации сферического зеркала. Свет проходит через стекло дважды, заставляя всю систему действовать как тройная линза . [3] Зеркала Манжена использовались в прожекторах, где они создавали почти точный параллельный луч. Во многих катадиоптрических телескопах используются отрицательные линзы с отражающим покрытием на задней стороне, которые называются «зеркалами Манжена», хотя они не являются одноэлементными объективами, как оригинальные Манжена, а некоторые даже появились раньше изобретения Манжена. [4]
Катадиоптрические телескопы — это оптические телескопы , которые объединяют зеркала и линзы особой формы для формирования изображения. Обычно это делается для того, чтобы телескоп мог иметь в целом большую степень коррекции ошибок, чем их аналоги с полностью линзовыми или полностью зеркальными линзами, с, следовательно, более широким полем зрения без аберраций . Их конструкции могут иметь простые полностью сферические поверхности и могут использовать преимущества сложенного оптического пути, который уменьшает массу телескопа, что упрощает их изготовление. Многие типы используют «корректоры», линзу или изогнутое зеркало в комбинированной оптической системе формирования изображения, так что отражающий или преломляющий элемент может корректировать аберрации, создаваемые его аналогом.
Катадиоптрические диалиты являются самым ранним типом катадиоптрических телескопов. Они состоят из одноэлементного рефракционного телескопического объектива, объединенного с серебряной отрицательной линзой (похожей на зеркало Манжена). Первым из них был гамильтоновский телескоп, запатентованный У. Ф. Гамильтоном в 1814 году. Медиальный телескоп Шупмана, разработанный немецким оптиком Людвигом Шупманном в конце 19 века, поместил катадиоптрическое зеркало за фокусом первичной линзы рефрактора и добавил к системе третью корректирующую/фокусирующую линзу.
Существует несколько конструкций телескопов, которые используют преимущество размещения одной или нескольких линз полного диаметра (обычно называемых « корректорной пластиной ») перед сферическим главным зеркалом. Эти конструкции используют преимущество того, что все поверхности «сферически симметричны» [5], и изначально были изобретены как модификации зеркальных оптических систем ( рефлекторных телескопов ), чтобы позволить им иметь плоскость изображения, относительно свободную от комы или астигматизма , чтобы их можно было использовать в качестве астрографических камер. Они работают, объединяя способность сферического зеркала отражать свет обратно в ту же точку с большой линзой в передней части системы (корректором), которая слегка изгибает входящий свет, позволяя сферическому зеркалу отображать объекты на бесконечности . Некоторые из этих конструкций были адаптированы для создания компактных катадиоптрических кассегрен с большим фокусным расстоянием .
Корректор Шмидта , первая полноразмерная корректирующая пластина, использовалась в камере Шмидта Бернхарда Шмидта 1931 года . Камера Шмидта представляет собой широкоугольный фотографический телескоп с корректирующей пластиной в центре кривизны главного зеркала, создающий изображение в фокусе внутри тубуса в главном фокусе , где установлена изогнутая пленочная пластина или детектор. Относительно тонкий и легкий корректор позволяет изготавливать камеры Шмидта диаметром до 1,3 м. Сложная форма корректора требует нескольких процессов для изготовления, начиная с плоского куска оптического стекла, помещения вакуума на одну его сторону для изгиба всей детали, затем шлифовки и полировки другой стороны для достижения точной формы, необходимой для исправления сферической аберрации, вызванной главным зеркалом. Конструкция пригодна для многих вариантов Шмидта .
Идея замены сложной пластины корректора Шмидта на простую в изготовлении сферическую менисковую линзу с полной апертурой ( оболочка менискового корректора ) для создания широкоугольного телескопа пришла в голову по крайней мере четырем оптическим конструкторам в раздираемой войной Европе начала 1940-х годов, включая Альберта Боуверса (1940), Дмитрия Дмитриевича Максутова (1941), К. Пеннинга и Денниса Габора (1941). [7] [8] Секретность военного времени не позволяла этим изобретателям знать о разработках друг друга, что привело к тому, что каждое из них стало независимым изобретением. Альберт Боуверс построил прототип менискового телескопа в августе 1940 года и запатентовал его в феврале 1941 года. Он использовал сферически концентрический мениск и подходил только в качестве монохроматической астрономической камеры. В более поздней конструкции он добавил склеенный дублет для исправления хроматической аберрации. Дмитрий Максутов построил прототип похожего типа менискового телескопа, телескоп Максутова , в октябре 1941 года и запатентовал его в ноябре того же года. [9] Его конструкция исправляла сферические и хроматические аберрации, помещая слабый менисковый корректор отрицательной формы ближе к главному зеркалу.
Телескоп Хоутона или телескоп Лурье–Хоутона — это конструкция, которая использует широкую составную положительно-отрицательную линзу по всей передней апертуре для исправления сферической аберрации главного зеркала. При желании оба элемента корректора могут быть изготовлены из одного типа стекла, поскольку хроматическая аберрация корректора Хоутона минимальна.
Корректор толще переднего корректора Шмидта-Кассегрена, но гораздо тоньше менискового корректора Максутова. Все поверхности линз и зеркала сфероидальные, что значительно облегчает любительскую конструкцию.
В конструкциях субапертурных корректоров корректирующие элементы обычно находятся в фокусе гораздо большего объектива. Эти элементы могут быть как линзами, так и зеркалами, но поскольку задействовано несколько поверхностей, достижение хорошей коррекции аберрации в этих системах может быть очень сложным. [4] Примерами субапертурных корректирующих катадиоптрических телескопов являются телескоп Аргунова–Кассегрена , телескоп Клевцова–Кассегрена и субапертурный корректор Максутов, которые используют в качестве « вторичного зеркала » оптическую группу, состоящую из линзовых элементов и иногда зеркал, предназначенных для исправления аберрации, а также ньютоновские телескопы Джонса–Берда, которые используют сферическое первичное зеркало в сочетании с небольшой корректирующей линзой, установленной вблизи фокуса. [11]
Различные типы катадиоптрических систем также используются в объективах камер, известных также как катадиоптрические линзы ( CAT ), рефлекторные линзы или зеркальные линзы . Эти линзы используют некоторую форму конструкции Кассегрена, которая значительно уменьшает физическую длину оптической сборки, частично за счет сгибания оптического пути, но в основном за счет телефото эффекта выпуклого вторичного зеркала, которое многократно увеличивает фокусное расстояние (до 4–5 раз). [12] Это создает линзы с фокусным расстоянием от 250 мм до 1000 мм и более, которые намного короче и компактнее своих длиннофокусных или телефото аналогов. Более того, хроматическая аберрация , основная проблема длинных рефракционных линз, и внеосевая аберрация , основная проблема отражательных телескопов, почти полностью устраняются катадиоптрической системой, что делает изображение, которое они создают, подходящим для заполнения большой фокальной плоскости камеры.
Однако у катадиоптрических линз есть несколько недостатков. Тот факт, что у них есть центральное препятствие, означает, что они не могут использовать регулируемую диафрагму для управления светопропусканием. [13] Это означает, что значение F-числа линзы фиксировано для общего спроектированного фокусного отношения оптической системы (диаметр главного зеркала, деленный на фокусное расстояние). Невозможность диафрагмировать линзу приводит к тому, что катадиоптрическая линза имеет короткую глубину резкости. Экспозиция обычно регулируется путем размещения фильтров нейтральной плотности спереди или сзади линзы. Их функция передачи модуляции показывает низкий контраст на низких пространственных частотах . Наконец, их наиболее заметной характеристикой является кольцевая форма расфокусированных областей изображения, дающая «размытие радужной оболочки» в форме пончика или боке , вызванное формой входного зрачка .
Несколько компаний производили катадиоптрические объективы в конце 20-го века. Nikon (под названиями Mirror -Nikkor и позже Reflex- Nikkor ) и Canon предлагали несколько конструкций, таких как 500 мм 1:8 и 1000 мм 1:11. Более мелкие компании, такие как Tamron , Samyang , Vivitar и Opteka, также предлагали несколько версий, причем три последних из этих брендов все еще активно производят ряд катадиоптрических объективов для использования в современных системных камерах. Sony (ранее Minolta) предлагала 500-миллиметровый катадиоптрический объектив для своей линейки камер Alpha. Объектив Sony отличался тем, что был единственным зеркальным объективом, произведенным крупным брендом, который имел автофокусировку (кроме идентичного объектива производства Minolta, который предшествовал производству Sony).
.jpg/1280px-2015_Obiektyw_lustrzany_MC_MTO-11CA_(01).jpg)
